金屬礦山設(shè)計理論方法與技術(shù)研究

張新紅 華寧 鄭清啟

（新疆維吾爾自治區(qū)安全科學(xué)技術(shù)研究院 烏魯木齊 830000）

我國的礦山設(shè)計經(jīng)歷了以下幾個主要發(fā)展階段：20世紀50年代，學(xué)習(xí)蘇聯(lián)的三段設(shè)計；六七十年代，實行中央、地方、設(shè)計部門相結(jié)合的設(shè)計階段；70年代末開始設(shè)計與科研相結(jié)合的設(shè)計階段；90年代末逐漸發(fā)展的現(xiàn)代設(shè)計階段。

現(xiàn)代設(shè)計方法以其程式性、創(chuàng)造性、系統(tǒng)性、優(yōu)化性、綜合性等特點，在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。礦山設(shè)計是利用科學(xué)原理、技術(shù)知識和想像力，在確定最高經(jīng)濟效益和效率的前提下，擬訂系統(tǒng)、工藝方法的決策過程。

1 礦山設(shè)計方法研究

礦山設(shè)計方法學(xué)旨在進行設(shè)計理論、設(shè)計方法及優(yōu)化研究，主要內(nèi)容包括設(shè)計的進程、步驟、規(guī)律及系統(tǒng)化的邏輯分析,并將成熟的設(shè)計模式、解法等編成規(guī)范和資料供設(shè)計人員參考。礦山現(xiàn)代設(shè)計方法所涉及的具體學(xué)科內(nèi)容主要有：地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、可靠性理論、模糊數(shù)學(xué)、灰色理論、有限單元法、離散單元法、邊界單元法、分形與混沌、小波分析等。目前礦山設(shè)計方法研究的重點方向有：建模及仿真技術(shù)、體視化技術(shù)、人工智能、CAD及GIS技術(shù)、數(shù)學(xué)計算方法。

2 地下礦山設(shè)計系統(tǒng)的研究

地下礦山開采設(shè)計工作主要包括提升系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、采礦方法以及生產(chǎn)設(shè)計等。地下礦山設(shè)計技術(shù)包括：綜合調(diào)度技術(shù)，綜合配礦技術(shù)，現(xiàn)代支護技術(shù)、安全技術(shù)及控制爆破技術(shù)，多級機站與集中通風(fēng)的聯(lián)合通風(fēng)技術(shù)，地下礦山的現(xiàn)代通訊技術(shù)、無人采礦技術(shù)、一次成井技術(shù)、回采參數(shù)優(yōu)化，巖爆機理及控制研究、井巷破壞理論及支護技術(shù)研究。

基于礦床模型的現(xiàn)代設(shè)計軟件系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用是當(dāng)前研究的熱點問題。例如房智恒、吳濤、牛明遠分析了采礦方法真三維設(shè)計在數(shù)字礦山建設(shè)過程中的意義，借助于DIMINE礦山軟件實現(xiàn)了礦山采礦方法真三維設(shè)計。

目前，不少單位正在研究以體視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為核心的礦山設(shè)計軟件系統(tǒng)。例如劉亞靜闡述了如何以3D圖形渲染技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)為依托，完成自然實體、人工實體和三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的精確地表達，將礦區(qū)工業(yè)廣場以及地層、巷道、工作面的空間位置關(guān)系直觀地展現(xiàn)出來。礦山的體模型理論及體視化技術(shù)還有待于進一步的研究。結(jié)合塊段模型和幾何模型優(yōu)點，創(chuàng)建基于動態(tài)數(shù)據(jù)庫的礦床模型是礦山設(shè)計軟件的一個發(fā)展方向，由于礦床賦存狀態(tài)及地質(zhì)條件的復(fù)雜性，礦山設(shè)計長期處于半理論半經(jīng)驗設(shè)計階段，很難適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的要求。針對礦山物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)設(shè)備協(xié)同管控規(guī)模大、時序約束嚴格、局部控制等特點，結(jié)合礦山物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)設(shè)備協(xié)同管控系統(tǒng)架構(gòu)，建立了礦山物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)設(shè)備多級協(xié)同管控模型，實現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式協(xié)同處理與設(shè)備協(xié)同管控，減少人為干預(yù)，提高生產(chǎn)效率是重點研究方向。

3 露天金屬礦山設(shè)計工藝研究

露天礦開采設(shè)計主要工作是開采境界圈定、開拓運輸系統(tǒng)、采剝工藝、設(shè)備選型、廢石場選擇、廢石排棄、防排水、進度計劃編制等。露天礦的現(xiàn)代設(shè)計思路包括：分區(qū)開采與分期建設(shè)、露天境界優(yōu)化、爆破技術(shù)的應(yīng)用、混裝炸藥技術(shù)、陡幫開采工藝、振動放礦轉(zhuǎn)載鐵路汽車聯(lián)合開拓運輸、間斷連續(xù)運輸、礦山設(shè)備大型化、露天礦自動調(diào)度系統(tǒng)、露天邊坡的安全監(jiān)控技術(shù)、科學(xué)的技術(shù)經(jīng)濟評價。露天礦設(shè)計中研究的新問題包括：露天礦分期建設(shè)中臺階坡面角與平臺寬度的確定，水文地質(zhì)對臺階穩(wěn)定性影響；爆破震動對臺階安全影響；臺階及坡面的風(fēng)險分析、經(jīng)濟分析與安全操作的結(jié)合研究；露天礦安全監(jiān)控技術(shù)等。

4 結(jié)語

礦山設(shè)計系統(tǒng)是一個有機的整體，必須研究與之相適應(yīng)的整體優(yōu)化理論與方法，整體優(yōu)化設(shè)計理論與方法的實現(xiàn)仍要以計算機為工具，建立以計算機軟件為支撐的設(shè)計系統(tǒng)是今后的發(fā)展方向。